미래 대대급 전술 네트워크 구축을 위한 5G 기반 네트워크 활용방안

2-1 전술정보통신체계(TICN)

기본적으로 전술통신체계는 상용통신에서 요구하는 성능과 기술이 매우 다르다. 군에서 사용하는 전술통신체계는 야전군 이하 제대에서 사용하며 감시 및 탐지된 데이터가 신속하게 필요한 제대에게 공유될 수 있어야 하며 적의 도발과 타격에 대비하여 주요 기반체계가 주기적으로 차량화되어 기동할 수 있어야 한다.

Fig. 1.

TICN Key Factors

현재 군에서는 기존에 사용하던 SPIDER체계를 대체하기 위해 전술정보통신체계(TICN)를 개발해 왔으며 TICN은 현재 육군의 대표적인 지휘통제체계인 C4I(Command, Control, Communication, Computer and intelligence) 구현을 위한 전술통신체계이다. 전술정보통신체계는 음성신호뿐만 아니라 대용량의 데이터 신호를 전송할 수 있으며 감시 및 탐지자산에서 획득한 영상정보를 실시간으로 유통하고 공유할 수 있어 전장에서 우위를 점할 수 있도록 지원해주는 무기체계이다. SPIDER체계와는 다르게 다수의 단말기의 통화를 가능케 하는 교환용량이 대폭 상승하였으며 위치정보, 지형정보, 지휘소의 상황도와 같은 데이터 전송 용량도 약 20배 이상 증가하였다. 결론적으로 TICN 체계는 대대 지휘소 가입자의 접속 능력 상승 그리고 단말기의 데이터 전송 및 ALL-IP 화로 네트워크 생존력과 전장 환경에서 네트워킹 능력을 획기적으로 상승시킨다.

하지만 미래전의 전장 공간은 육, 해, 공의 3차원 공간에서 사이버와 우주 공간이 추가된 5차원의 다영역 환경에서 임무를 수행할 것이다. 또한, 전투를 수행하는 무기체계는 상호 유기적으로 연결되어 운용되는 복합 체계화가 진행되고 있으며 시스템 일부는 무인으로 변경되는 등 전투 형태가 지능화와 다양화되고 있다. 이에 따라 현재의 기술로 다가오는 전장 환경에서 필요한 네트워크를 완벽하게 지원하기 위해서는 초고속으로 정보가 전달되어야 하며 수많은 기기를 연결하기 위해서 대용량의 데이터가 유통될 수 있는 환경이 우선 구축되어야 한다.

2-2 대대급 전투지휘체계(B2CS)

현재 군은 육, 해, 공군 및 작전사급 부대의 합동작전을 위하여 지휘 통제 수단을 합참 중심으로 운용하고 있다. 각 군이 운용하는 전술 C4I체계는 지휘 통제를 원활하게 지원하기 위해 군사정보를 정보체계 간 연동하여 운용 중이다 [5]. 대대급 부대에서는 대대급 전투지휘체계(B2CS)를 사용하고 있으며 전술 C4I 체계에서 ATCIS(Army Tactical Command Information System)와 연동하여 소대급까지 전장 상황을 공유하고 전장의 가시화를 지휘소와 각 제대에 구현하기 위해 개발되었다. B2CS는 감시정찰, 명령과 통제(C2), 상황인식 정보를 공유하는 데이터링크 역할을 하고 있으며, 탑재되어있는 소프트웨어인 KVMF를 통하여 메시지 기능을 사용한다. 송수신과 경보 전파가 가능하고 공통작전상황도(COP)를 생성하고 공유하여 전장 상황 파악이 쉬운 특징을 가지고 있다. 앞서 설명한 전술정보통신체계에서 사용되는 TMMR(Tactical Multi-band Multi-role Radio) 무전기는 기존의 음성신호뿐만 아니라 데이터 기능이 추가되어 대대 지휘소는 개인 전투원에서 생겨난 자료를 수집하고 중요 정보는 상급부대에 공유할 수 있다. 그리고 무전기는 휴대가 간편하여 전투 수행 중 어느 지역이든 기동하며 운용할 수 있다. 특히, 전술정보통신체계와 단절되어도 독자적으로 체계구축이 가능하므로 통신이 끊긴 상황에서도 분대 단위로 작전을 수행하는 데 지장이 없는 장점이 있다.

하지만 미래의 전술 환경은 개인 플랫폼을 중심으로 각개 용사의 전투체계와 무인 무기체계가 합쳐진 소규모 부대로 운용될 것이다. 개인 용사는 육군에서 개발 중인 워리어플랫폼뿐만 아니라 전투복, 장구류, 개인 무기체계, 방탄, 보급품 등이 최신화되고, 센서화되어 임무에 맞는 단위 무기 요소별로 하나의 시스템이 구축되어 네트워크화된다. 그러므로 개인 용사가 수집하는 영상과 데이터가 무수하게 많아지며 개인 용사가 운용하는 체계와 함께 유무인 복합체계가 동시다발적으로 지휘 통제체계에서 공유된다. 지휘 통제의 데이터 처리 수준이 계층구조였던 종래의 네트워크와는 다르게 각 무기체계가 객체화되어 수준 높은 정보를 가공하여 유통하여야 하며 현재의 전투지휘체계로는 다가오는 전장 환경에 유연하게 대응하기가 갈수록 어려워질 전망이다.

2-3 5세대 이동통신

5G 이동통신 기술은 4G 이후 개발된 차세대 이동통신 기술로 고주파수 대역을 사용하여 5G 이용자에게 대용량의 데이터를 제공해주는 기술이다. 기지국의 위치 설정과 통신 시스템의 최적화된 구조를 제공하기 위해서 좁은 지역에서 많은 기지국을 설치하고 기지국의 전송능력 향상을 위해 셀 커버리지를 좁히고 무수히 많은 기지국을 설치하여 좁은 지역에서 수많은 네트워크를 지원해주는 셀 커버리지 기술이 발전되고 있다. 좁은 지역을 효과적으로 지원하기 위해 셀 커버리지내의 데이터 요구량이 높은 지역에 빔포밍과 같은 기술을 통하여 특정 지역에 네트워크 대역을 확대해주거나 필요 지역과 불필요 지역을 서로 보완하여 데이터의 처리용량과 속도를 상황에 맞게 높이는 것이 핵심이다[7]. 초고속, 초연결, 초신뢰로 대표되는 5G의 기술은 초광대역 이동형 서비스이며 초고주파 대역폭을 사용하고 많은 안테나를 이용하여 20Gbps급의 고속의 데이터를 전파하여 고화질의 영상 스트리밍, VR/AR, 홀로그램 기술 등 멀티미디어 응용기술이 지원할 수 있다. 미래에는 좁은 면적에서 수많은 전자기기를 연결하여 각 IoT 기기의 요구사항을 충족시켜야 한다.

Fig. 2.

The Characteristics of 5G Network

다시 말해서 네트워크의 효율적 측면에서 신뢰성이 보장되어야 한다. 유무인 체계 및 로봇 원격제어, 자율주행차량 등 실시간으로 반응해야 하는 네트워크 환경에서 서비스를 제공하기 위해서 1ms 수준의 지연속도로 실시간 대응이 가능해야 한다. 필요에 따라서 네트워크를 가상화시키거나 물리적 네트워크와 논리적 네트워크를 분리하여 환경에 따라 차별적으로 QoS를 보장하여 데이터를 유통함으로서 네트워크의 효과성을 극대화해야 한다.

군에서는 5G 기술을 도입할 경우 여러 가지 이점을 얻을 수 있다. 첫 번째로, 임무 수행 간 작전시간에 큰 영향을 미치는 네트워크 특성상 고속의 데이터를 처리해주는 기술이 있다면 불확실성이 산재 되어있는 전장 환경에서 신속한 상황 상황인식과 선제 대응이 가능하다. 두 번째는 좁은 지역에서 많은 단말기가 서로 연결되어있는 지휘소에서 진행 중인 임무를 달성하기 위해서, 필요한 정보를 개인 전투원과 공유하고 각 개체가 임무 수행 간 필요한 데이터를 원활하게 통제할 수 있으며 체계 간 강력한 연결을 통해 유기적인 임무 수행이 가능하다. 세 번째로 전장 환경에서는 지휘소에서 하달되는 임무가 창끝 부대 혹은 최전선에 있는 전투원에게 정확한 정보가 전달되어야 지휘관의 지휘 의도를 명확하게 파악한 전투원들이 임무를 수행할 수 있다. 신뢰성이 보장된 네트워크환경에서 지휘관의 명령이 정확하게 부대원 모두에게 공유됨으로써 전장 환경에서 작전 임무 수행의 완성도를 높일 수 있다.

3-1 다차원, 다영역의 전장 환경(초고속)

앞으로의 작전환경은 불확실한 위협과 예측 불가능한 갈등으로 가득한 환경으로 변화될 것이다. 고정된 목표물은 기동하는 목표물로 바뀌고 있으며 미래전장 환경은 종래의 개념인 육지, 해상, 공중의 공간을 넘어서서 우주 및 사이버 공간을 포함하는 5차원 영역의 다차원 영역으로 확대되고 있다. 비교적 소규모 부대인 대대급 제대에서도 영역 간 동시 전장화로 이루어지며 지휘 통제체계, 감시정찰자산, 정밀타격자산이 결합한 복합 무기체계와 유무인 복합체계, 무인 무기체계의 자율시스템 도입을 통하여 효과 중심작전으로 변화할 것이다. 이에 따라 전장 환경에서는 수많은 데이터가 생성되고 소비되며 데이터 생성과 함께 지휘소에서는 클라우딩, 빅데이터, 인공지능, 엣지 컴퓨팅을 통하여 인간과 기계 인터페이스 분야의 발전으로 기계에 의한 독자적인 의사 결정도 가능할 것으로 예측된다.

우리 군의 진화하는 과학기술과 함께 북한군의 비대칭 전력 또한 급속도로 발전되고 있다. 특히 전력 타격을 위한 표적도 초고속화, 스텔스화 되고 있어 시간민감 표적들은 신속하게 반응하지 않는다면 작전을 수행하는 부대에 크나큰 손해를 끼칠 것이다. 이는 곧 작전 성패의 영향을 끼치게 된다.

무기체계의 발전과 함께 급변하는 전장 환경은 예측하기 어려운 복잡한 환경으로 진행되고 있다. 또한, 정보통신 기술이 4차 산업혁명 시대로 진입하게 되면서 더욱더 복잡한 환경 속에서 예측하기 어렵게 변화하고 있다. 그러므로 전쟁 수행 복원능력 및 반응능력뿐만 아니라 작전부대의 민첩성 능력이 필수적으로 요구된다. 특히 대대급 부대는 전장에서 작전 수행에 있어 최전선에 위치하는 개인 전투원의 지휘 통제가 가능한 부대이다. 매우 급하고 불확실한 전장 환경에서 상급부대와 신속히 상황 정보를 획득하고 정보공유를 해야 하며 특히, 결심한 사항이 개인 전투원에게 신속하게 전달되어야 한다. 현재 사용되고 있는 COP에 모든 전투원이 실시간으로 아군과 적군의 위치를 인식하고 대응할 수 있어야 한다. 정보공유 또한 전투원이 원하는 시간과 원하는 장소 어디에서든지 다양한 플랫폼을 활용하여 원하는 정보를 공유 가능하여야 한다.

3-2 미래군사체계 (초연결)

3) 무인 전투체계

미래전장 환경에서 주도적인 임무를 수행할 것으로 예상하는 분야로 가장 주목을 받는 것은 무인 전투체계의 도입일 것이다. 무인 전투체계는 “특정 전장 상황에서 기존 유인 전투체계와 무인 장비를 네트워크 기반으로 통합 운용함으로써 전투 효율성을 극대화하며 인명 피해를 최소화하고 인력을 절감하는 등 기존의 인간 위주의 전투체계를 보완하기 위한 복합체계”로 정의할 수 있다[14].

그림3은 미래전장에서 운용될 지상무인 무기체계를 설명하는 개념도로써 드론과 같은 항공자산을 이용하여 통신 중계나 공중감시에 무인 장비를 투입해 지휘본부의 화력 운용을 위한 의사 결정 과정에 활용할 수 있으며, 전투물자 운반이나 환자 수송과 같은 전투근무 지원 분야에서도 다양하게 응용되어 지상 무인 전투자산으로 활용될 수 있다.

Fig. 3.

Concept of Unmanned Weapon System

결국, 국방 IoT, 워리어플랫폼 그리고 무인 전투체계는 4차 산업혁명을 통한 국방기술의 발전과 미래전장에서 아군의 승리를 보장받기 위해서 반드시 선점해야 할 국방 분야의 핵심이다. 이러한 첨단 기술들이 미래전장에서 실질적으로 힘을 발휘하기 위해서는 상호 네트워크를 통한 유기적인 연결이 5G 통신환경 기반의 초연결로 완성되어야 한다. 또한, 최전방 개인 전투원에서부터 상급부대의 지휘관에 이르기까지 전선에서 발생하는 데이터가 실시간으로 공유되는 정보의 양은 기존의 전투체계에서 경험하지 못한 대용량의 데이터 교환이 이루어질 것이다. 중복된 정보가 여러 통신기기를 통하여 같은 전송 경로로 유입되어 지휘관의 의사 결정이 지연되는 등의 부정적인 상황에도 놓이게 될 것이다. 이러한 데이터 유통의 문제점은 기계학습이나 데이터 마이닝 기법을 적용하여 중복되는 정보의 양이 중복되고 반복될수록 정보의 신뢰성에 대한 가중치를 증가시키고, 정보의 내용이 상반되는 정보에 대해서는 정보의 신뢰성에 대한 가중치를 감소시키는 등의 방법을 통해 정보의 흐름에 방해가 되는 요소를 줄여나가야 할 것이다.

3-3 임무형 지휘체계(초신뢰)

임무형 지휘체계란 단위 부대가 지휘관으로부터 하달된 임무에 근거하여 작전을 수행하는 지휘체계이다. 이에 따라 상급부대의 지침과 의도를 명확하게 인지한 후 시행하는 일련의 지휘시스템을 의미한다. 이를 네트워크 서비스 측면에서 접근한다면 다양한 변수가 생성되고 지휘소에서는 생성된 변수를 분석하여 작전 수행을 가능하게 하는 네트워크가 요구된다. 앞서 설명한 임무형 지휘체계를 지원하기 위해서 임무형 네트워크가 필수적이다. 기존의 임무형 네트워크에서는 단일형 플랫폼에 집중되어 있었다. 즉 지휘관의 결심에 따라 모든 네트워크 기능들이 지휘관의 결심된 사항에 대한 임무 수행을 위하여 구동된다. 지휘소의 네트워크를 지원해주는 기능들이 지휘관에게 집중되어 일방적으로 특정 단말기의 네트워크 요구량이 증대된다. 이러한 네트워크의 특징은 플랫폼 간 연결을 통한 네트워크의 원활한 사용을 방해하고 체계 간 한정된 용량 안에서 지휘관이 요구한 정보를 유통하여 필요 정보들만 상호 공유하여 유통하기가 어려우며 지휘 통제 정보가 작전에 필요한 정보를 적시 적소에 지휘관 혹은 전투원에게 제공하기가 어려운 네트워크환경이다. 불확실한 전장환경과 무기체계의 다양성은 비록 소규모 부대라 할지라도 유무인 복합체계와 드론봇 무기체계, 인공지능 체계가 소규모 네트워크 안에서 유기적으로 결합하여 운용되어야 한다.

무기체계가 늘어나는 것은 곧 신뢰성이 바탕이 되어야 임무를 수행할 수 있다는 의미를 내포하고 있다. 획득된 데이터가 네트워크를 통해 필요한 장소에 집중되어야 하는 순간도 있고 필요하지 않은 정보는 신속하게 폐기하여 네트워크의 부하를 줄여야 할 때도 있다. 가공되지 않은 데이터가 때로는 상급부대에서 취합되고 분석을 통해 비록 자료를 수집한 부대에서는 활용하지 않더라도 향후 종합적인 전장 상황을 파악하기 위해서는 정보가 유통되는 것이 필요하다. 또한, 작전 형태에 따라 네트워크의 활용 범위가 변화해야 네트워크 요구량 및 네트워크 성능도 유연하게 지원된다. 필요한 네트워크 요구량은 많아지고 전장 환경은 다영역 환경으로 변화하는 때에 전장을 적극적으로 지원하기 위해 동적이며, 성능 또한 우수한 네트워크환경이 전장에 구축되어야만 최적화된 전투 지원체계를 완성할 수 있고 끝내 전장에서 승리를 달성할 수 있다.

4-1 미래형 대대급 전술 네트워크 개념도

5G 기술이 군의 특수성에 맞게 적용된 미래의 대대급 네트워크는 그림 4의 개념을 통해 설명할 수 있다. 각종 무기체계, 센서, 워리어플랫폼, 전술통신체계등에서 생성되는 대용량의 데이터를 대대 지휘소에서 제어하고 통제하게 된다.

Fig. 4.

Concept of Future Battalion Network

상급부대 지휘관은 가상현실과 증강현실을 이용하여 전장에서 발생되는 정보를 지휘소 내에서 실제 전장환경과 유사한 형태로 제공받게 된다. 앞서 설명된 B2CS에서 사용하던 메시지 포맷은 데이터 형식으로 나타나 시각적으로 체험하기가 어렵다. 지휘소에서 증강현실 기술을 접목하게 되면 현장에서 발생하는 영상을 지휘소 내부에서 시청할 수 있다. 이는 실제와 같은 현실감 있는 환경 제공을 통하여 지휘관은 높은 몰입감을 제공받을 수 있게 된다. 기존의 지휘소에서 간단한 메시지와 데이터만을 다루는 형태에서 지휘관이 실시간으로 최전선에 위치한 각개 용사들이 수집한 정보를 함께 공유할 수 있게 지원한다.

4-2 운용개념

4-3 Beyond 5G 미래 전술 네트워크 운용방안

B5G 시대의 요구사항은 초당 테라비트의 데이터 속도로 좁은 지역에서 수백만의 사물인터넷 전자기기의 접속과 데이터 요구량 증가로 인해 현재보다 더 큰 시스템 용량이 요구된다. 이러한 조건을 충족하기 위해서는 mmWave를 넘어 더 넓은 대역폭을 지원해야 하며 5G 시대 이후에는 테라 헤르츠(THz) 주파수가 주목받고 있다. 현재 무선 시스템의 스펙트럼 부족 및 용량 제한을 해소하게 할 것으로 기대된다 [19]. 5G가 도입된 네트워크에서는 도입된 안테나에서 테라비트의 속도를 지원할 수 있게 하는 안테나를 커스터마이징을 통하여 운용한다면 끊임없이 생성되는 데이터를 실시간으로 가공하고 유통할 수 있게 된다.

미국에서 제시된 제3차 상쇄전략의 5가지 핵심 분야 중 무인 작전은 국방 인력이 감축되는 우리나라의 미래 환경에 필수적인 체계이다. 무인 시스템은 사람이 직접 조종하는 유인기보다 유지비용을 획기적으로 절약할 수 있으며 국방예산의 감축에 따라 개발될 핵심 기술이다. 미래전의 전장 환경에서 유무인 체계의 군집형태를 이루어 전쟁을 치르는 형태가 Swarm Warfare이다. 초연결된 네트워킹 환경구축이 가능한 전장 범위 내에 수많은 센서체계와 타격체계가 공존하게 된다. 각 체계의 크기나 운용 목적, 기술적 숙련도가 다양하여 군집 무인 체계를 통하여 임무 과업을 달성하기 위해서는 군집 제어가 중요하며 군집 제어 기술을 통하여 다수의 무인 체계가 협업을 통하여 여러 시스템이 하나의 유기적인 시스템으로 운용될 것이다. 군집 행동 제어, 군집상황 인식, 군집 네트워킹, 군집 관리제어 등과 같이 군집 제어 기술이 발달할 것이다.

지상-해상-공중-우주를 연결하는 다영역 및 다차원에서 수행되는 미래전은 초연결된 네트워크환경에서 임무에 따라 동적으로 구성된다. 구성 네트워크 내 요구 자원에 따라 동적으로 할당되며 각 단말은 시간, 주파수, 전력과 같이 필요한 소스를 중앙 네트워크에 요구하여 기존의 Kill-Chain 형태에서 다중 탄력적 집합체인 Kill-Web의 개념 아래에 센서체계, 타격체계, 무기체계, 작전 지원체계가 탄력적으로 협업하여 임무를 수행한다. 임무 중심 네트워크는 네트워크 내 체계 하나가 이탈하더라도 작전 수행이 우선되어 이탈된 체계를 대체하는 플랫폼이 임무를 완수하도록 구동된다.